Руководство по гидрологическим моделям

Выпустив Предупреждение о быстроразвивающемся паводке, Иосиф и Анна приглашают вас обсудить выходную информацию моделей расчета стока. У них имеется сложная, с распределенными параметрами, модель для бассейна рек Верхняя, и они также применяют модель с полураспределенными параметрами для бассейна реки Великая, которая включает сосредоточенную информацию о реках Средняя и Западная.

Вы говорите, что у вас никогда не было доступа к моделям с распределенными параметрами и не представляете их достоинств и недостатков. Пока Иосиф рассматривает прогнозные гидрографы, Анна объясняет несколько важных особенностей таких моделей:

  • "Модели с сосредоточенными параметрами относительно просты, поскольку бассейн рассматривается как единое целое. В качестве входной информации используют осредненные по бассейну гидрологические и метеорологические данные. Выходная информация модели с сосредоточенными параметрами, чаще всего, – это гидрограф в замыкающем створе бассейна. Для использования таких моделей требуется меньше данных и менее мощные вычислительные ресурсы, чем для более современных методов".
  • "Модели с распределенными параметрами отражают особенности гидрологических и метеорологических характеристик, представляя их для каждого бассейна в узлах расчетной сетки". Анна подчеркивает некоторые ключевые моменты, касающиеся моделей с распределенными параметрами, которые следует помнить:
  • Достоинства
    • Лучше отражают изменчивость гидрологического отклика бассейна
    • Более реалистично моделируют быстроразвивающиеся паводки
  • Недостатки
    • Требуют значительных, по сравнению с моделями с сосредоточенными параметрами, вычислительных затрат
    • Больше зависят от точности и разрешения входной информации.
  • "При таком подходе оценивается сток в каждой ячейке на основе параметров этой ячейки. Расход в каждом узле сетки рассчитывается математически. Использование таких моделей сдерживается необходимостью иметь большой объем входной информации для каждой ячейки сетки. При отсутствии таких данных следует каким-либо образом получить их оценки, при этом появляется неопределенность. Вот почему модель с распределенными параметрами применяется только на бассейне реки Верхняя, где нет недостатка в натурных измерениях".

Иосиф приглашает вас обсудить прогнозные гидрографы. "Сначала давайте посмотрим на Среднюю и Западную, поскольку осадки в первую очередь выпадут в этих бассейнах".

Река Средняя

Mystery river gauge

Река Западная

Forecast hydrograph for Western basin river gauge.  The lumped model forecast shows flow increasing quickly shortly after hour 6 peaking slightly below flood stage at about hour 14.  The flow then decreases rapidly until about hour 20, where it begins to increase somewhat rapidly again.  The flow then peaks right around flood stage at approximately 38 hours, before decreasing steadily for the remainder of the forecast period.

Вспомогательная карта

Outlines of basins, rivers and tributaries within the Mainstem Basin, Mystery Basin, Lucky Basin and Western Basin.  Lucky, Mystery and Western Basins lie to the north and west of the larger Mainstem basin.  Lucky Town is situated in central Lucky Basin along the Lucky River but upstream of a main southern tributary.  Mystery Village is situated in central Mystery Basin along the Mystery River.  Western Basin contains a clear-cut logging area in its western, mountainous areas.  Main City is situated in south-central Main Basin, just downstream from where the Mystery and Western rivers join the Main river.

Анна напоминает, что для бассейна реки Средняя отсутствуют данные наблюдений, поэтому модель с сосредоточенными параметрами для этого бассейна была калибрована по данным наблюдений, выполненных в соседних бассейнах. Она утверждает, что такой подход – обычная практика для Национальной службы погоды страны и Служб погоды стран региона. Анна отмечает, что в таких случаях результаты прогнозов недостаточно хороши. Кроме этого, калибровка модели для бассейна реки Западная выполняется по данным двух постов в южной части бассейна, поэтому осредненное по бассейну количество осадков иногда сильно отличается. Поэтому, как и в случае с бассейном реки Средняя, прогнозная модель для реки Западная часто дает относительно высокие ошибки.

Вопрос 1

Анна спрашивает: "Почему мы наблюдаем двойной пик расхода? Почему расход просто не повышается равномерно до конца выпадения осадков? Чтобы правильно ответить, вспомните наше обсуждение прогнозов атмосферных моделей".


Двойной пик – это результат выпадения двух последовательных дождей, которые были спрогнозированы мезомасштабной моделью. Первая порция осадков над бассейнами рек Средняя, Западная и, возможно, над частью бассейна реки Верхняя выпала быстро, и за период между окончанием первого и началом второго дождя какая-то доля стока уже покинула бассейн.

Вы отмечаете, что ситуация на реке Средняя может развиваться довольно опасно, и вероятно значительное превышение порогового уровня. Иосиф и Анна соглашаются, и говорят, что они особенно озабочены тем, как такой высокий сток повлияет на реку Великая и густонаселенный город Великий в более поздний период прогноза. Затем они изучают прогнозные гидрографы для рек Верхняя и Великая.

р. Верхняя - пост 1

Forecast hydrograph for Lucky River at location of gauge #1.  Flow varies for the first 16 hours or so before increasing steadily after that time.  Peak flow occurs at approximately flood stage around 36 hours.

р. Верхняя - пост 2

Forecast hydrographs for Lucky River at location of gauge #2.  Flow varies for the first 24 hours, and then increases steadily until peaking at approximately flood stage around 40 hours.

р. Великая - пост 1

Forecast hydrograph for Mainstem basin at location of gauge #1.  Flow varies for the first twelve hours, and then shows a steady and significant increase until a peak stage of about 12.0 m occurs slightly above flood stage at approximately 50 hours.

Вы все замечаете, что, согласно прогнозу, уровни воды рек Верхняя и Великая могут достичь или превысить пороговые значения.

В соответствии с Руководством, Иосиф и Анна выпускают Предупреждение о риске возникновения речного наводнения, Уровень 1, для рек Средняя, Верхняя и Великая, которые могут выйти из берегов к окончанию второго дня прогнозного периода.

Table showing current hydrologic statements issued to the public.  Mystery, Western and areas south of the Southern tributary in Lucky basin are under a level 1 flash flood statement, which means that the potential exists for heavy rains to cause flash flooding.  The main branches of the Mystery, Lucky and Main Rivers are under a level 1 river flood statement, which means that the potential exists for major streams and rivers to exceed their banks.

Вы спрашиваете, следует ли им отметить высоту вероятного наводнения, в связи с тем, что в соответствии с прогнозом уровень воды реки Средняя будет близок к пороговому значению.

Иосиф говорит: "Судя по тому, что гидрологическая модель для этого бассейна не надежна, думаю, нам не стоит спешить и конкретизировать ожидаемую высоту наводнения. В ближайшие часы мы узнаем, насколько точно мезомасштабная модель предсказала первый период осадков, и тогда многое станет понятно. Если нам придется выдать Предупреждение Уровня 2, что, я думаю, и случится, если прогнозы моделей погоды оправдаются, то в них и укажем ожидаемую высоту наводнения".